JPH07142703A - Quantum thin wire containing branch structure and its manufacture - Google Patents

Quantum thin wire containing branch structure and its manufacture

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JPH07142703A
JPH07142703A JP28527793A JP28527793A JPH07142703A JP H07142703 A JPH07142703 A JP H07142703A JP 28527793 A JP28527793 A JP 28527793A JP 28527793 A JP28527793 A JP 28527793A JP H07142703 A JPH07142703 A JP H07142703A
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mask
window
soi substrate
silicon layer
plane
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JP28527793A
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Gen Hashiguchi
原 橋口
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Abstract

PURPOSE:To provide a structure which, its structure itself, is smaller than de Broglie wavelength by, while utilizing an upper silicon layer an an SOI substrate, making it a quantum thin wire with a branch whose profile is rectangular and the width and height of base are specified. CONSTITUTION:On the surface of SOI substrate 20 a silicon nitride film of 0.05-0.5mum in thickness which is to be used as a mask 2 is film-formed, and then by resist coating, photolithography with ordinary light exposure, and dry etching such as RIE for patterning, the mask 2 with a square window open is formed. Then the SOI substrate 20 an which the mask 2 was formed is etched with anisotropic etching liquid, so that the first surface 3 which is to be a surface of quantum thin wire whose profile is rectangular (width of base is 2-50nm, height is 4-70.6nm) exposes itself. At that time, relating to the first surface 3, the silicon substrate surface is covered with a mask and stopped with a mask end part due to etching anisotropy, it does not advance in the direction of first surface 3.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、電子デバイスや光デバ
イスなどに用いられる量子細線に係り、特に、その形状
が分岐構造を有する量子細線に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a quantum wire used in electronic devices, optical devices, etc., and more particularly to a quantum wire having a branched structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体超微細加工技術の発展はめ
ざましく、数nm程度の構造物を形成するに至ってい
る。量子細線はこの超微細加工技術によって形成される
構造物であり、電子をドブロイ波長と同程度の微小な領
域に閉じ込め、量子力学的波動性を利用して、電子の単
一モード化(または1次元化、0次元化)を図ることに
よって、高移動度トランジスタや、半導体量子井戸レー
ザといった電子デバイスや光デバイスの大幅な性能向
上、また、新たな概念の新デバイス創成の可能性などか
ら注目されている。
2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor ultrafine processing technology has been remarkably developed, and a structure having a size of several nm has been formed. A quantum wire is a structure formed by this ultra-fine processing technology. It confines an electron in a minute region of the same size as the de Broglie wavelength, and uses quantum mechanical wave nature to make the electron a single mode (or 1 By increasing the dimensionality and the dimensionality of 0), attention has been paid to the dramatic improvement in performance of electronic devices and optical devices such as high mobility transistors and semiconductor quantum well lasers, and the possibility of creating new devices with new concepts. ing.

【0003】量子細線の構造としては、超格子構造や界
面に二次元電子ガスを形成する構造やヘテロ界面で電子
を閉じ込める構造、また、ゲート電極により導電チャネ
ルを制御する構造などである。このような構造を超微細
な大きさ、すなわち数nm〜数十nmの大きさに形成す
るには、マスク材に電子ビーム描画法やX線描画法など
により微細パターンを形成して、エッチングを行い、続
いて結晶埋め込みを行うことでヘテロ界面を形成するリ
ソグラフィーによるものや、結晶成長を原子層レベルで
制御する方法など、様々な方法が試みられている。
The structure of quantum wires includes a superlattice structure, a structure for forming a two-dimensional electron gas at the interface, a structure for confining electrons at a hetero interface, and a structure for controlling a conductive channel by a gate electrode. In order to form such a structure to an ultrafine size, that is, a size of several nm to several tens nm, a fine pattern is formed on a mask material by an electron beam drawing method or an X-ray drawing method, and etching is performed. Various methods have been attempted, such as lithography by which a hetero interface is formed by performing crystal embedding followed by crystal embedding, and a method of controlling crystal growth at the atomic layer level.

【0004】このような量子細線は、その多くは形状が
一直線のもので、これでは利用範囲が狭くとうてい実用
的なデバイスとなるものではなく、あくまでも量子効果
を確認するための実験的なデバイスにすぎない。そこ
で、量子効果を保ったままで、自由に引き回すことがで
きるような分岐構造を有する量子細線を形成する必要が
ある。
Most of such quantum wires have a straight shape, and thus they are not practical devices due to their narrow range of use, but they are experimental devices for confirming the quantum effect. Only. Therefore, it is necessary to form a quantum wire having a branched structure that can be freely routed while maintaining the quantum effect.

【0005】従来の分岐構造を有する量子細線として
は、AlAs/GaAsの超格子構造を形成した後、こ
れをへき開し、へき開面を選択熱エッチングを行って、
GaAsを再成長させることによりT字型の量子細線構
造を形成したもの(「原子寸法デバイス調査研究報告書
I」社団法人 日本電子工業振興協会 平成5年3月発
行、第18頁)、またMOS構造の伝導チャネルを制御
する構造によるものとして、電子ビームによる高解像度
リソグラフィーによって、MOS型のチャネル幅25n
mの分岐構造を有する1次元伝導チャネルを形成し、こ
れにMOS構造のゲート電極によって電界を集中させる
ことで、分岐構造をもった量子細線として機能させるも
の(J. Vac. Scl. Technol. B, VOL. 4, NO. 1,Jan/Feb
1986, pp.134〜380)などがある。
As a quantum wire having a conventional branched structure, after forming a superlattice structure of AlAs / GaAs, this is cleaved, and the cleaved surface is subjected to selective thermal etching,
A T-shaped quantum wire structure formed by regrowth of GaAs ("Atomic Dimension Device Research Report I", Japan Electronic Industry Development Association, March 1993, page 18), and MOS As the structure for controlling the conduction channel of the structure, the MOS type channel width of 25n is obtained by the high resolution lithography by the electron beam.
A one-dimensional conduction channel having a branch structure of m is formed, and an electric field is concentrated on the one-dimensional conduction channel to make it function as a quantum wire having a branch structure (J. Vac. Scl. Technol. B. , VOL. 4, NO. 1, Jan / Feb
1986, pp.134-380).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のT字形の量子細線を超格子構造を形成後へき
開、再成長により形成したものにあっては、AlAs/
GaAsの超格子構造自体は、近年の超微細加工技術に
よって、MOCVD装置などを用いた原子層レベルでの
結晶成長が可能であることからその形成は再現性よく行
えるものの、その後のへき開やGaAsの再成長など
は、再現性よく行えるものではなく、特にへき開のよう
な作業を伴なうことは、製品としてのばらつきが多くな
り、このような製造方法で信頼性のある製品を量産化す
るのは困難である。
However, in the case where the above-mentioned conventional T-shaped quantum wires are formed by cleaving and regrowing after forming the superlattice structure, AlAs /
The GaAs superlattice structure itself can be formed with good reproducibility because it is possible to grow crystals at the atomic layer level using a MOCVD device or the like by the recent ultrafine processing technology, but the subsequent cleavage or GaAs Re-growth and the like cannot be performed with good reproducibility. In particular, the work such as cleaving causes a large variation in the product, and it is difficult to mass-produce a reliable product by such a manufacturing method. It is difficult.

【0007】また、MOS構造によるものは、リソグラ
フィーを用いているために、その分解能の限界から、上
記のように25nm程度のチャネル幅が限界であり、量
子効果を得るためには、より細いものが望まれる。
Since the MOS structure uses lithography, the channel width of about 25 nm is the limit as described above due to the limit of the resolution, and a thinner one is required to obtain the quantum effect. Is desired.

【0008】そこで、本発明の目的は、その構造自体を
電子のデバイ長以下の大きさとした(MOS型ではな
く)分岐構造を有する量子細線を提供することであり、
またその様な分岐構造を有する量子細線を再現性よく、
容易に量産化できる製造方法を提供することである。
[0008] Therefore, an object of the present invention is to provide a quantum wire having a branched structure (not a MOS type) having a size equal to or smaller than the Debye length of electrons,
In addition, a quantum wire with such a branched structure can be reproducibly
It is to provide a manufacturing method that can be easily mass-produced.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
の本発明は、SOI基板の上部シリコン層によって形成
された分岐のある量子細線であって、該量子細線の断面
が三角形状で、その底辺の幅が2〜50nm、高さが
1.4〜70.6nmであることを特徴とする分岐構造
を有する量子細線である。
The present invention for solving the above-mentioned problems provides a quantum wire having a branch formed by an upper silicon layer of an SOI substrate, the quantum wire having a triangular cross section, A quantum wire having a branched structure, characterized in that the base has a width of 2 to 50 nm and a height of 1.4 to 70.6 nm.

【0010】また上記目的を解決するための本発明は、
面方位(100)で、厚さ1nm〜1μmの上部シリコ
ン層を有するSOI基板の上部シリコン層表面に、マス
クを形成する工程と、該マスクの一部を除去して方形状
の第1の窓を開ける工程と、該第1の窓を開けた前記S
OI基板を異方性エッチングに浸漬して、該第1の窓か
ら露出したシリコン面を異方性エッチングして前記上部
シリコン層に第1の(111)面を露出する工程と、該
第1の(111)面に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記マスクに、前記第1の窓の少なくとも一辺と交差す
る一辺を有する第2の窓を形成する工程と、該第2の窓
を開けた前記SOI基板を異方性エッチングに浸漬し
て、該第2の窓から露出したシリコン面を異方性エッチ
ングして前記上部シリコン層に第2の(111)面を露
出する工程と、該第2の(111)面に第2の絶縁膜を
形成する工程と、前記マスクの少なくとも前記第1の絶
縁膜および第2の絶縁膜に接した部分の一部を除去する
工程と、上記工程により前記マスクの一部を除去した前
記SOI基板を異方性エッチングに浸漬して、露出して
いるシリコン面を異方性エッチングして前記上部シリコ
ン層に第3の(111)面を露出する工程と、を有する
ことを特徴とする量子細線の製造方法である。
Further, the present invention for solving the above object is
A step of forming a mask on the surface of the upper silicon layer of the SOI substrate having an upper silicon layer having a plane orientation (100) and a thickness of 1 nm to 1 μm, and removing a part of the mask to form a rectangular first window. And a step of opening the first window.
Immersing the OI substrate in anisotropic etching to anisotropically etch the silicon surface exposed from the first window to expose the first (111) surface in the upper silicon layer; Forming a first insulating film on the (111) plane of
Forming in the mask a second window having one side intersecting at least one side of the first window; immersing the SOI substrate having the second window opened in anisotropic etching; Anisotropically etching the silicon surface exposed from the second window to expose the second (111) surface in the upper silicon layer, and forming a second insulating film on the second (111) surface And a step of removing at least a part of a portion of the mask that is in contact with the first insulating film and the second insulating film, and anisotropically removing the SOI substrate from which a part of the mask is removed by the above step. And exposing the exposed silicon surface to anisotropic etching of the exposed silicon surface to expose the third (111) surface in the upper silicon layer. Is.

【0011】[0011]

【作用】上述のように構成された本発明の分岐構造を有
する量子細線は、SOI基板の上部シリコン層を利用し
て、断面形状が三角形で、その底辺の幅が2〜50n
m、高さが1.4〜70.6nmの大きさの分岐のある
量子細線であるため、量子効果を得るために十分な大き
さであり、分岐によって、自由な細線の配置が可能とな
る。
The quantum wire having the branched structure of the present invention constructed as described above utilizes the upper silicon layer of the SOI substrate and has a triangular cross section and a base width of 2 to 50 n.
m is a quantum wire with a branch having a size of 1.4 to 70.6 nm, which is a sufficient size to obtain a quantum effect, and the branch allows free placement of the wire. .

【0012】また、本発明の分岐構造を有する量子細線
の製造方法は、面方位(100)で、厚さ1nm〜1μ
mの上部シリコン層を有するSOI基板の上部シリコン
層表面に、マスクを形成する工程と、該マスクの一部を
除去して方形状の第1の窓を開ける工程と、該第1の窓
を開けた前記SOI基板を異方性エッチングに浸漬し
て、該第1の窓から露出したシリコン面を異方性エッチ
ングして前記上部シリコン層に第1の(111)面を露
出する工程とによって、分岐構造の一つの枝の断面三角
形状の一つの面を形成する。
The method of manufacturing a quantum wire having a branched structure according to the present invention has a plane orientation (100) and a thickness of 1 nm to 1 μm.
m, a step of forming a mask on the surface of the upper silicon layer of the SOI substrate having an upper silicon layer, a step of removing a part of the mask to open a rectangular first window, and a step of opening the first window. Immersing the opened SOI substrate in anisotropic etching to anisotropically etch the silicon surface exposed from the first window to expose the first (111) surface in the upper silicon layer. , One surface of a branch having a triangular cross section is formed.

【0013】この第1の(111)面の形成は、マスク
に形成した方形状の窓開口部からSOI基板の上部シリ
コン層を異方性エッチングすることにより、マスクの端
部から異方性エッチングによりシリコンがエッチングさ
れるに従って(111)面が徐々に露出し、第1の(1
11)面が形成される。この異方性エッチングは(11
1)面のエッチング速度が極めて遅いため、マスク端部
より露出した(111)面のエッチングは進行しないた
め、これにより断面三角形状の量子細線の一面が形成さ
れる。
The formation of the first (111) plane is performed by anisotropically etching the upper silicon layer of the SOI substrate from the rectangular window opening formed in the mask so that the anisotropic etching is performed from the end of the mask. As the silicon is etched by, the (111) plane is gradually exposed and the first (1)
11) A surface is formed. This anisotropic etching is (11
Since the etching rate of the (1) plane is extremely slow, the etching of the (111) plane exposed from the mask edge does not proceed, so that one side of the quantum wire having a triangular cross section is formed.

【0014】次いで、該第1の(111)面に第1の絶
縁膜を形成する工程と、前記マスクに、前記第1の窓の
少なくとも一辺と交差する一辺を有する第2の窓を形成
する工程と、該第2の窓を開けた前記SOI基板を異方
性エッチングに浸漬して、該第2の窓から露出したシリ
コン面を異方性エッチングして前記上部シリコン層に第
2の(111)面を露出する工程とによって、前記第1
の(111)面に向かい合う面と、分岐構造の他の枝の
一面を形成し、次に、該第2の(111)面に第2の絶
縁膜を形成する工程と、前記マスクの少なくとも前記第
1の絶縁膜および第2の絶縁膜に接した部分の一部を除
去する工程と、上記工程により前記マスクの一部を除去
した前記SOI基板を異方性エッチングに浸漬して、露
出しているシリコン面を異方性エッチングして前記上部
シリコン層に第3の(111)面を露出する工程とによ
って、第2の(111)面と向い合う面および第1の
(111)面と向い合う面を形成する。
Next, a step of forming a first insulating film on the first (111) plane and a second window having one side intersecting at least one side of the first window are formed on the mask. And a step of anisotropically etching the silicon surface exposed from the second window by immersing the SOI substrate having the second window opened in anisotropic etching. 111) exposing the first surface
Forming a second insulating film on the second (111) surface and a surface of the other branch of the branched structure facing the (111) surface, and at least the mask. A step of removing a part of a portion in contact with the first insulating film and the second insulating film, and immersing the SOI substrate from which a part of the mask has been removed in the above step in anisotropic etching to expose Anisotropically etching the exposed silicon surface to expose the third (111) surface in the upper silicon layer, thereby forming a surface facing the second (111) surface and a first (111) surface. Form facing surfaces.

【0015】この第2の(111)面形成の際には第1
の(111)面が、第3の(111)面形成の際には、
第1および第2の(111)面は絶縁膜によって保護さ
れているため、この部分の異方性エッチング液浸漬の際
にシリコン面が少しでも出ていればよくマスクを除去す
る範囲は厳密に規定される必要がないので、特別微細な
マスクパターニングを行うなくてもよい。しかも、すで
に形成されている(111)面と向い合う(111)面
は、前記第1の(111)面と同様に異方性エッチング
によって形成されるので、(111)面がでた時点でエ
ッチングがほぼ停止する。
When forming this second (111) plane, the first
When the (111) plane of is the third (111) plane is formed,
Since the first and second (111) planes are protected by the insulating film, it is sufficient if the silicon surface is exposed at the time of immersion of the anisotropic etching solution in this portion, and the range for removing the mask is strict. Since it does not need to be specified, it is not necessary to perform special fine mask patterning. In addition, since the (111) plane facing the already formed (111) plane is formed by anisotropic etching similarly to the first (111) plane, when the (111) plane is exposed, The etching is almost stopped.

【0016】このように、本発明の分岐構造を有する量
子細線の製造方法は、マスクの窓開けパターニング工程
と、異方性エッチング液への浸漬工程と、異方性エッチ
ング液浸漬工程により露出した(111)面への絶縁膜
の形成工程とを繰り返し行うことによって、分岐のある
量子細線が形成される。
As described above, in the method of manufacturing a quantum wire having a branched structure of the present invention, the quantum wire is exposed through the mask window opening patterning step, the anisotropic etching solution immersion step, and the anisotropic etching solution immersion step. By repeating the step of forming the insulating film on the (111) plane, a branched quantum wire is formed.

【0017】[0017]

【実施例】以下、添付した図面を参照して本発明を説明
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0018】本発明の量子細線の製造方法は、まず、図
1および図2aに示すように、面方位(100)の厚さ
1nm〜1μm程度の上部単結晶シリコン層23を有す
るSOI基板20の表面に、厚さ0.05〜0.5μm
のマスク2となる窒化シリコン膜(SiN)を成膜し、
これをレジスト塗布、通常の光露光によるフォトリソグ
ラフィーおよびRIEまたはCDEなどのドライエッチ
ングによりパターニングして方形の窓を開けたマスク2
を形成する。なお、マスク2の窓は方形の少なくとも一
辺を、図1に示したように、(110)方向となるよう
にする。ここで、付号21は下部シリコン層である。な
お、図1は、マスク2の形状を示す平面図であり、図2
a〜cは図1中のA−A線での断面図である。
In the method for manufacturing a quantum wire of the present invention, as shown in FIGS. 1 and 2a, first, an SOI substrate 20 having an upper single crystal silicon layer 23 having a plane orientation (100) and a thickness of about 1 nm to 1 μm is prepared. 0.05-0.5 μm thickness on the surface
A silicon nitride film (SiN) to be the mask 2 of
Mask 2 with a rectangular window opened by patterning this with resist coating, photolithography by ordinary light exposure and dry etching such as RIE or CDE
To form. In addition, the window of the mask 2 has at least one side of the square in the (110) direction as shown in FIG. Here, appendix 21 is a lower silicon layer. 1 is a plan view showing the shape of the mask 2, and FIG.
2A to 2C are cross-sectional views taken along the line AA in FIG.

【0019】次に、図2bに示すように、マスク2を形
成したSOI基板20を異方性エッチング液、例えばK
OH水溶液、ヒドラジン水溶液およびエチレンジアミン
ピロカテコール液等の(111)面のみがエッチングさ
れない異方性エッチング液を用いてエッチングし、断面
三角形状の量子細線の一面となる第1の(111)面3
を露出する。このとき、異方性エッチングによるシリコ
ンのエッチングは、マスク2の端部から序々にSOI基
板20深さ方向に(111)面が露出しながら進行して
行くが、(111)面は、マスク2によってシリコン基
板表面が覆われていて、エッチングの異方性によりマス
ク2端部により止められているため、(111)面方向
へは進行しない。また、深さ方向へのエッチングは上部
シリコン層23がエッチングされてSOI基板のSiO
2 層22が露出するまでエッチングする。
Next, as shown in FIG. 2B, the SOI substrate 20 on which the mask 2 is formed is treated with an anisotropic etching solution such as K.
The first (111) plane 3 which is one side of the quantum wire having a triangular cross section, is etched by using an anisotropic etching solution such as an OH aqueous solution, a hydrazine aqueous solution, and an ethylenediaminepyrocatechol solution in which only the (111) plane is not etched.
To expose. At this time, the etching of silicon by anisotropic etching progresses gradually from the end of the mask 2 in the depth direction of the SOI substrate 20 while exposing the (111) plane. Since the surface of the silicon substrate is covered with and is stopped by the end of the mask 2 due to the anisotropy of etching, it does not proceed in the (111) plane direction. Further, in the etching in the depth direction, the upper silicon layer 23 is etched and the SiO 2 of the SOI substrate is etched.
2 Etch until layer 22 is exposed.

【0020】従ってエッチングの制御には、面としての
制御を厳密にする必要はなく、SiO2 層22が露出す
るようにエッチング時間やエッチング条件を設定すれば
よい。例えばエッチング液としてKOHエッチング液を
用いた場合には、エッチング液温度を60℃とし、この
エッチング温度も、周囲の状況の変化により多少変化し
てもさしつかえなく、エッチング時間を1〜5分程度と
多少幅のある時間制御でよい。
Therefore, in controlling etching, it is not necessary to strictly control the surface, and etching time and etching conditions may be set so that the SiO 2 layer 22 is exposed. For example, when a KOH etching solution is used as the etching solution, the etching solution temperature is set to 60 ° C., and the etching temperature may be changed to some extent depending on changes in the surrounding conditions, and the etching time is set to about 1 to 5 minutes. A slightly wide time control is sufficient.

【0021】次に、図2cに示すように、露出させた第
1の(111)面3を含むシリコン面を、熱酸化して、
0.01〜0.1μm程度のSiO2 の絶縁膜4aを形
成する。この時、上部シリコン層23表面はSiN(耐
酸化性膜)によるマスク2があるので、酸化されない。
Next, as shown in FIG. 2c, the exposed silicon surface including the first (111) surface 3 is thermally oxidized,
An insulating film 4a of SiO 2 having a thickness of about 0.01 to 0.1 μm is formed. At this time, the surface of the upper silicon layer 23 is not oxidized because there is the mask 2 made of SiN (oxidation resistant film).

【0022】次に、図3に示すように、マスク2の窓1
0の一辺と直交する一辺を有する窓11を形成する。こ
れには、レジスト塗布、前記同様通常の光露光によるフ
ォトリソグラフィーによるレジストパターニング、CF
4 ガスによるSiNエッチング条件のRIEによるエッ
チングによって行う。この時、前記絶縁膜4aは除去さ
れずに、窓11が開口しシリコン面が露出する。この窓
あけの際には、フォトリソグラフィーの際のフォトマス
クの合わせ余裕(図中L)をとってあるが、この合わせ
余裕は、量子細線の一つの枝となる部分の前記絶縁膜4
aと接している部分のマスク2を除去するためのもの
で、特に規定されるものではない。なお、図3はマスク
2の形状を示す平面図である。
Next, as shown in FIG. 3, the window 1 of the mask 2 is shown.
A window 11 having one side that is orthogonal to one side of 0 is formed. For this, resist coating, resist patterning by photolithography by ordinary light exposure as described above, CF
Etching is performed by RIE under SiN etching conditions using 4 gases. At this time, the insulating film 4a is not removed, and the window 11 is opened to expose the silicon surface. At the time of opening this window, a photomask alignment margin (L in the figure) at the time of photolithography is taken, and this alignment margin is the insulating film 4 at a portion which becomes one branch of the quantum thin wire.
It is for removing the portion of the mask 2 in contact with a and is not particularly specified. Note that FIG. 3 is a plan view showing the shape of the mask 2.

【0023】次に、前記窓11開けの際のレジストを除
去した後、図4dおよび図5dに示すように、マスク2
を除去して露出したシリコン面を、異方性エッチングし
て第2の(111)面5を露出させる。この工程は、前
述した第1の(111)面3を露出させたときと同じで
あり、厳密なエッチングの制御を要しない。この第2の
(111)面5は、前述した第1の(111)面3とち
ょうど接するように第2の(111)面5が現れること
により(111)面方向のエッチングが停止する。深さ
方向のエッチング量は、上部シリコン層21がエッチン
グされてSOI基板のSiO2 層22が露出する。な
お、図4d〜fは図3中のA−A線による断面図であ
り、図5d〜fは図3中のB−B線による断面図であ
る。
Next, after removing the resist when opening the window 11, as shown in FIGS. 4d and 5d, the mask 2 is removed.
Is removed and the exposed silicon surface is anisotropically etched to expose the second (111) surface 5. This step is the same as when the first (111) plane 3 described above is exposed and does not require strict control of etching. Etching in the (111) plane direction is stopped by the appearance of the second (111) plane 5 so that the second (111) plane 5 is just in contact with the first (111) plane 3 described above. As for the etching amount in the depth direction, the upper silicon layer 21 is etched to expose the SiO 2 layer 22 of the SOI substrate. 4d to f are sectional views taken along the line AA in FIG. 3, and FIGS. 5d to f are sectional views taken along the line BB in FIG.

【0024】第1の(111)面3とこの第2の(11
1)面5が接する部分が、図4dに示したように、断面
三角形の頂点となり、分岐構造の量子細線一つの枝1a
となる。またこの第2の(111)面は、図5aに示す
ように、他の量子細線の枝1b部分の一面となる。
The first (111) plane 3 and the second (11) plane 3
1) As shown in FIG. 4d, the portion where the face 5 is in contact becomes the apex of the triangular cross section, and one branch 1a of a quantum wire having a branched structure.
Becomes The second (111) plane becomes one surface of the branch 1b portion of another quantum wire, as shown in FIG. 5a.

【0025】次に、図4eおよび図5eに示すように、
前記エッチングによって露出しているシリコン面を熱酸
化してSiO2 の絶縁膜4bを形成し、全てのマスク2
(SIN膜)を除去する。このマスク2の除去には前述
のようにCF4 ガスによるRIEやSiNエッチング条
件によるCDEなどにより行う。このとき絶縁膜4aお
よび4bは残っている。なお、このマスク2の除去は、
必ずしもマスク2の全てを除去する必要はなく、除去す
る部分は各分岐の量子細線とする部分の長さだけでもよ
く、例えば図6に示すように方形状の窓12を開口して
もよく、量子細線の各枝の長さを変えることができる。
なお、本実施例においては、上記のように全てのマスク
2を除去した。図6はマスク2の形状を示す平面図であ
る。
Next, as shown in FIGS. 4e and 5e,
The silicon surface exposed by the etching is thermally oxidized to form an insulating film 4b of SiO 2 , and all the mask 2
(SIN film) is removed. The mask 2 is removed by RIE using CF 4 gas or CDE under SiN etching conditions as described above. At this time, the insulating films 4a and 4b remain. The mask 2 is removed by
It is not always necessary to remove all of the mask 2, and the removed portion may be only the length of the portion to be the quantum thin line of each branch. For example, a square window 12 may be opened as shown in FIG. The length of each branch of the quantum wire can be changed.
In this example, all the masks 2 were removed as described above. FIG. 6 is a plan view showing the shape of the mask 2.

【0026】次に、図4fおよび図5fに示すように、
マスク2を除去して露出したシリコン面を、異方性エッ
チングして第3の(111)面6を露出させる。この工
程は、前述した第1および第2の(111)面を露出さ
せたときと同じであり、厳密なエッチングの制御を要し
ない。この第3の(111)面6は、前述した第1の
(111)面3および第2に(111)とちょうど接す
るように現れることにより(111)面方向のエッチン
グが停止する。また、深さ方向は、上部シリコン層21
がエッチングされてSOI基板のSiO2 層22が露出
する。
Next, as shown in FIGS. 4f and 5f,
The exposed silicon surface after removing the mask 2 is anisotropically etched to expose the third (111) surface 6. This step is the same as when the first and second (111) planes described above are exposed, and does not require strict control of etching. This third (111) plane 6 appears just in contact with the above-mentioned first (111) plane 3 and second (111), so that etching in the (111) plane direction is stopped. Further, in the depth direction, the upper silicon layer 21
Are etched to expose the SiO 2 layer 22 of the SOI substrate.

【0027】その後不要な絶縁膜を取り除き、また必要
により熱酸化を行うことで、より微細な量子細線とする
ことも可能である。これにより、図7に示すように、分
岐構造を有する量子細線1が完成する。そして分岐構造
部分(図示する一点鎖線の円内)はT型スタブ構造の量
子細線をなる。なお、図7は量子細線部分の斜視図であ
る。
Thereafter, an unnecessary insulating film is removed, and if necessary, thermal oxidation is performed, so that a finer quantum wire can be obtained. Thereby, as shown in FIG. 7, the quantum wire 1 having a branched structure is completed. The branched structure portion (inside the circle of the one-dot chain line shown in the figure) becomes a quantum wire having a T-type stub structure. Note that FIG. 7 is a perspective view of the quantum thin wire portion.

【0028】以上のようにして製造された分岐構造を有
する量子細線は、細線の断面形状が三角形で、大きさが
底辺2〜50nm、高さが1.4〜70.6nmであ
り、分岐部分においてもこの大きさであるため、量子効
果を得るための電子の閉じ込めには十分小さな構造とな
っている。
The quantum thin wire having a branched structure produced as described above has a triangular cross-section, a size of 2 to 50 nm at the base and a height of 1.4 to 70.6 nm at the branched portion. Because of this size also in, the structure is small enough to confine electrons to obtain the quantum effect.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の分岐構造
を有する量子細線は、SOI基板の上部シリコン層を利
用し、底辺2〜50nm、高さ1.4〜70.6nmの
断面三角形状の分岐した量子細線であるので、その構造
自体が電子のドブロイ波長より小さな構造である。この
ため、ヘテロ界面やMOS構造のように、キャリアを垂
直方向に閉じ込めるための電極などを必要とせず、分岐
点においても、その断面の形状が変わらないので、キャ
リアの量子状態が変化することなく、量子効果が発現し
やすい。
As described above, the quantum wire having the branched structure of the present invention utilizes the upper silicon layer of the SOI substrate and has a triangular cross section with a base of 2 to 50 nm and a height of 1.4 to 70.6 nm. Since it is a branched quantum wire, the structure itself is smaller than the de Broglie wavelength of an electron. Therefore, unlike a hetero interface or a MOS structure, an electrode for confining carriers in the vertical direction is not required, and the cross-sectional shape does not change even at a branch point, so that the quantum state of carriers does not change. , The quantum effect is likely to appear.

【0030】また、本発明の分岐構造を有する量子細線
は異方性エッチングによって、形成しているので、容易
に再現性よく、また均一に形成することができ、大量生
産が可能となる。
Further, since the quantum wire having a branched structure of the present invention is formed by anisotropic etching, it can be easily and reproducibly and uniformly formed, and mass production becomes possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明による分岐構造を有する量子細線の製
造方法の一実施例におけるマスク形状の平面図である。
FIG. 1 is a plan view of a mask shape in an embodiment of a method for manufacturing a quantum wire having a branched structure according to the present invention.

【図2】 本発明による一実施例の製造方法を工程順に
説明するための図面で、図1中のA−A線での断面図で
ある。
2 is a drawing for explaining the manufacturing method of one embodiment according to the present invention in the order of steps, and is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1. FIG.

【図3】 本発明による分岐構造を有する量子細線の製
造方法の一実施例におけるマスク形状の平面図である。
FIG. 3 is a plan view of a mask shape in an example of a method for manufacturing a quantum wire having a branched structure according to the present invention.

【図4】 図2に続く工程順の断面図である。4A to 4C are cross-sectional views in order of the steps, continuing from FIG.

【図5】 本発明による一実施例の製造方法を工程順に
説明するための図面で、図3中のB−B線での断面図で
ある。
5 is a drawing for explaining the manufacturing method of the embodiment according to the present invention in the order of steps, and is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 3. FIG.

【図6】 本発明による分岐構造を有する量子細線の製
造方法の一実施例におけるその他のマスク形状の平面図
である。
FIG. 6 is a plan view of another mask shape in an embodiment of the method for manufacturing a quantum wire having a branched structure according to the present invention.

【図7】 本発明による分岐構造を有する量子細線の製
造方法の一実施例により形成された分岐構造を有する量
子細線の斜視図である
FIG. 7 is a perspective view of a quantum wire having a branched structure formed by an embodiment of a method of manufacturing a quantum wire having a branched structure according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…分岐構造を有する量子細線、 1a、1b
…量子細線、2…マスク、
3、5,6…(111)面、4a、4b…絶縁膜、1
0、11、12…マスクに形成した窓、 20…SOI
基板、21…下部シリコン層、 22
…SOI基板のSiO2 層、23…上部シリコン層。
1. Quantum wire having a branched structure, 1a, 1b
… Quantum wire, 2… Mask,
3, 5, 6 ... (111) plane, 4a, 4b ... Insulating film, 1
0, 11, 12 ... Window formed in mask, 20 ... SOI
Substrate, 21 ... Lower silicon layer, 22
... SiO 2 layer of SOI substrate, 23 ... upper silicon layer.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 SOI基板の上部シリコン層によって形
成された分岐のある量子細線であって、該量子細線の断
面が三角形状で、その底辺の幅が2〜50nm、高さが
1.4〜70.6nmであることを特徴とする分岐構造
を有する量子細線。
1. A quantum wire having a branch formed by an upper silicon layer of an SOI substrate, wherein the quantum wire has a triangular cross section, a bottom width of 2 to 50 nm, and a height of 1.4 to. A quantum wire having a branched structure, which is 70.6 nm.
【請求項2】 面方位(100)で、厚さ1nm〜1μ
mの上部シリコン層を有するSOI基板の上部シリコン
層表面に、マスクを形成する工程と、 該マスクの一部を除去して方形状の第1の窓を開ける工
程と、 前記マスクに該第1の窓を開けた前記SOI基板を異方
性エッチングに浸漬して、該第1の窓から露出したシリ
コン面を異方性エッチングして前記上部シリコン層に第
1の(111)面を露出する工程と、 該第1の(111)面に第1の絶縁膜を形成する工程
と、 前記マスクに、前記第1の窓の少なくとも一辺と交差す
る一辺を有する第2の窓を形成する工程と、 前記マスクに該第2の窓を開けた前記SOI基板を異方
性エッチングに浸漬して、該第2の窓から露出したシリ
コン面を異方性エッチングして前記上部シリコン層に第
2の(111)面を露出する工程と、 該第2の(111)面に第2の絶縁膜を形成する工程
と、 前記マスクの少なくとも前記第1の絶縁膜および第2の
絶縁膜に接した部分の一部を除去する工程と、 上記工程により前記マスクの一部を除去した前記SOI
基板を異方性エッチングに浸漬して、露出しているシリ
コン面を異方性エッチングして前記上部シリコン層に第
3の(111)面を露出する工程と、を有することを特
徴とする量子細線の製造方法。
2. A plane orientation (100) and a thickness of 1 nm to 1 μm.
m, a mask is formed on the surface of the upper silicon layer of the SOI substrate having the upper silicon layer; a step of removing a part of the mask to open a rectangular first window; The SOI substrate having the window opened is anisotropically etched, and the silicon surface exposed from the first window is anisotropically etched to expose the first (111) surface to the upper silicon layer. A step of forming a first insulating film on the first (111) plane, and a step of forming a second window having one side intersecting at least one side of the first window in the mask. The SOI substrate having the second window opened in the mask is immersed in anisotropic etching, and the silicon surface exposed from the second window is anisotropically etched to form a second layer in the upper silicon layer. Exposing the (111) plane and the second (1 1) a step of forming a second insulating film on the surface; a step of removing at least a part of a portion of the mask in contact with the first insulating film and the second insulating film; The SOI with a part removed
Immersing the substrate in anisotropic etching to anisotropically etch the exposed silicon surface to expose the third (111) surface in the upper silicon layer. A method for manufacturing thin wires.
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